(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの運転停止時における電極触媒や電解質膜の劣化を抑制する。【解決手段】燃料電池スタック２０の運転中における指令部５２の停止指令により、ｖｆ１，ｖｆ２，ｖａ１，ｖａ２を閉じて燃料電池スタック２０内の反応ガスの流通を遮断した後に、残存ガスを放電素子５６により除去処理する。少なくとも燃料ガスバッファタンク５０ａまたは酸化ガスバッファタンク５０ｂのいずれか１つを備えることにより、少なくとも酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内に残存する酸素を所定の濃度以下まで減少させた後に運転停止させる。また、運転待機時の動作は、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内および酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力をそれぞれ制御することにより行なわれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化極とを備え、燃料ガスと酸化ガスとを反応ガスとする燃料電池セルを積層した燃料電池スタックと、
前記燃料極に連通し、開閉可能な燃料ガス供給側バルブおよび燃料ガス排出側バルブの間の燃料ガス反応流路を含む燃料ガス流路と、
前記酸化極に連通し、開閉可能な酸化ガス供給側バルブおよび酸化ガス排出側バルブの間の酸化ガス反応流路を含む酸化ガス流路と、
前記燃料ガス反応流路または前記酸化ガス反応流路のいずれか一方に連通し、所定の容量を有する少なくとも一つのガスバッファタンクと、
を有し、
少なくとも下記（１）式を満たすことを特徴とする燃料電池システム。
【数１】
2007323959.tif 000007
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの起動および停止動作を指令する指令部と、
所定のバルブを開閉させて前記反応ガスの流通を制御可能なバルブ制御部と、
をさらに有し、
前記燃料電池スタックの運転中における前記指令部の停止指令により、
前記バルブ制御部により前記燃料ガス供給側バルブ、前記燃料ガス排出側バルブ、前記酸化ガス供給側バルブおよび前記酸化ガス排出側バルブを閉じて前記燃料電池スタック内の前記反応ガスの流通を遮断し、
少なくとも酸化ガス反応流路内に残存する酸化ガス中に含有する酸素を所定の濃度以下まで減少させた後に運転停止させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタック内の前記反応ガスを減少させるガス除去手段をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ガス除去手段は、前記燃料電池セルごとに接続された複数の放電手段であり、
前記放電手段に対応する前記燃料電池セルのそれぞれに残存する反応ガスを独立して除去することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ガスバッファタンクは、前記燃料ガス反応流路に連通し、所定量の燃料ガスを貯留可能な燃料ガスバッファタンクを含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスバッファタンクと連通可能な改質ガス供給源をさらに有し、
前記燃料ガス反応流路内に残存する前記燃料ガスを所定の圧力以下まで消費させた後に前記改質ガス供給源を前記燃料ガスバッファタンクと連通させて、前記燃料ガス反応流路内に改質ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
改質ガス供給源と、
前記改質ガス供給源と、開閉可能な改質ガス導入バルブを備え、前記燃料ガス反応流路に連通する改質ガス導入配管と、
前記燃料電池スタックの起動および停止動作を指令する指令部と、
所定のバルブを開閉させてガスの流通を制御可能なバルブ制御部と、
をさらに有し、
前記指令部の停止指令により所定の停止動作を行った後、
前記バルブ制御部による前記改質ガス導入バルブの開閉により前記燃料ガス反応流路内の圧力を所定の圧力範囲となるように改質ガス供給源から前記燃料電池スタックへの改質ガスの導入を制御するとともに、
前記バルブ制御部による前記酸化ガス排出側バルブの開閉により前記酸化ガス反応流路内の圧力を所定の圧力範囲となるように制御し、
前記指令部の起動指令まで運転待機することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタック内の電位を低下させる放電手段と、
前記燃料電池スタックの起動および停止動作を指令する指令部と、
所定のバルブを開閉させて前記反応ガスの流通を制御可能なバルブ制御部と、
をさらに有し、
前記燃料電池スタックの停止中または待機中における前記指令部の起動指令により、
前記バルブ制御部により前記燃料ガス供給側バルブおよび前記燃料ガス排出側バルブを開けて前記燃料ガス反応流路内の燃料ガスの流通を再開し、
前記燃料電池セルと前記放電手段とを接続し、
前記バルブ制御部により前記酸化ガス供給側バルブおよび前記酸化ガス排出側バルブを開けて前記酸化ガス反応流路内の酸化ガスの流通を再開させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
開閉可能な改質ガス導入バルブを備え、前記燃料ガス反応流路に連通する改質ガス導入配管と、
前記燃料電池スタックの起動および停止動作を指令する指令部と、
所定のバルブを開閉させて所定のガスの流通を制御可能なバルブ制御部と、
前記燃料電池スタック内の前記反応ガスを放電除去する放電手段と、
をさらに有し、
前記燃料電池スタックの運転中における前記指令部の停止指令により、
前記バルブ制御部により前記燃料ガス供給側バルブ、前記燃料ガス排出側バルブ、前記酸化ガス供給側バルブおよび前記酸化ガス排出側バルブを閉じて前記燃料電池スタック内の前記反応ガスの流通を遮断し、
前記ガス除去手段により前記酸化ガス反応流路内に残存する酸化ガスと、前記燃料ガス反応流路内に残存する燃料ガスと、をそれぞれ所定の濃度以下まで減少させ、
前記バルブ制御部による前記改質ガス導入バルブの開閉により前記燃料ガス反応流路内の圧力を所定の圧力範囲となるように前記燃料電池スタックへの前記改質ガス導入配管を介する改質ガスの導入を制御するとともに、前記バルブ制御部による前記酸化ガス排出側バルブの開閉により前記酸化ガス反応流路内の圧力を所定の圧力範囲となるように制御して運転待機し、
前記指令部の起動指令により、
前記バルブ制御部により前記燃料ガス供給側バルブおよび前記燃料ガス排出側バルブを開けて前記燃料電池スタック内の燃料ガスの流通を再開し、
前記燃料電池セルと前記放電手段とを接続し、
前記バルブ制御部により前記酸化ガス供給側バルブおよび前記酸化ガス排出側バルブを開けて前記燃料電池スタック内の酸化ガスの流通を再開させることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、制御指令に応じて起動、運転および停止の動作を行なう燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は一般に、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極または酸化極（カソード触媒層）とを電解質膜を挟んで対向するように設け、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層をさらに設けた、膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、原料供給用の流路を設けたセパレータで挟んだ構造を１単位とするいわゆる単セルを有している。通常の燃料電池システムにおいては、この単セルを積層させて所望の電力が得られるようにした燃料電池スタックを使用し、各触媒層に水素、酸素等の原料（以下、原料ガスまたは反応ガスとも称する）を供給して発電する。
【０００３】
燃料電池の発電時には、燃料極に供給する原料を水素ガス、空気極に供給する原料を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて空気極に到達する。空気極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて空気極に到達した電子により、水が生成する。このように燃料極及び空気極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等から、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。
【０００４】
一方、燃料電池の停止時には、一般に、燃料電池内への反応ガスの流通も同様に停止するが、ガス流路内に供給された未反応の反応ガスはそのままの状態でガス流路内に留まることになる。特に高濃度の酸素または空気のような酸化ガスが燃料電池内に長期間留まった場合においては、触媒の腐食または触媒担体として用いられる炭素材料の酸化などの劣化要因となることが広く知られている。また、水素ガスや酸化ガスが電解質膜を介して相互に透過し、混合してしまういわゆるクロスリークもまた、燃料電池システムにおける重大な劣化要因の一つであり、このようなクロスリークを防止するためにも、燃料電池内に残存する反応ガスの効果的な除去が要求される。
【０００５】
燃料電池内に残存した反応ガスによるこれらの不具合の発生を抑制するために、従来、燃料電池スタックの内部に反応ガスの供給を停止した後、窒素ガスやメタンガスのような不活性ガスを所定の時間流通させることにより反応ガスを外部に排出させる、いわゆるパージを行ない、起動待機時における燃料電池セルの不具合の発生を抑制する方法が採られていた。
【０００６】
しかしながら、ガス流路のような自由空間に存在する反応ガスについてはパージにより排出可能であるが、例えばすでに電極触媒に吸着されている反応ガスについては、電極触媒と反応ガスとの間の強い吸着力により、パージによる排出は困難であり、長期の運転停止による電池性能の劣化抑制に対してはそれほど高い効果は期待できなかった。
【０００７】
さらに、パージは通常、運転停止時に行なわれるが、運転停止時においても所定の時間ガス供給を継続させる必要があるため、電力消費にも繋がり、好ましくない。またこのとき使用される不活性ガスは一般に発電には寄与しないものであり、再起動時には通常、パージに使用した不活性ガスは排出せざるを得ないため、使用した不活性ガスが無駄となってしまう。また、メタンガスなどをパージに使用する場合には、環境に配慮して排ガスを回収・処理する必要もある。特に、燃料電池自動車のような移動体においては、この移動体に不活性ガスの供給機構、さらには回収・処理機構を載置しなければならず、現実的でない。
【０００８】
また、燃料電池内に残存した反応ガスによるこれらの不具合の発生を抑制する他の方法として、擬似抵抗などを用いてスタック電圧を低下させて、性能劣化を抑制する方法についても知られている。しかしながら、このような方法では、空気極中に残存する酸素量が把握できないために、酸化ガスに対して燃料ガスが不足した状態に陥るおそれがあり、場合によっては燃料極の電位をかえって上昇させてしまい、電極触媒の溶出を招くおそれがある。
【０００９】
そこで、例えば、特許文献１，２に記載されたような燃料電池システムが提案されている。
【００１０】
特許文献１には、起動、停止時に触媒担持炭素の被毒を緩和させる、水素循環機構を備えた燃料電池システムについて記載されている。しかしながら、複雑なガス循環機構が必要であると同時に、この循環機構の作動により、電力の一部が消費されることになり、好ましくない。
【００１１】
特許文献２には、燃料電池の反応により燃料ガス中に増加する窒素や水分を含む不純物による発電性能の低下を抑制するために、アノード排ガスを貯留する貯留部を備える燃料電池システムについて記載されている。しかしながら、電極触媒に吸着しやすい水素ガスや酸素ガスの効果的な除去については考慮されていない。
【００１２】
さらに、特許文献３には、停止時にガス経路を遮断し、発電を行なうことで反応流路内のガスを消費する燃料電池システムについて記載されている。この燃料電池システムにおいては、燃料ガス経路の空間の体積よりも酸化剤ガス（酸素ガス、空気）経路の空間の体積の２倍を超えない体積とすることにより、ガス経路中に酸素を残存させることなく運転を停止させることが出来る旨が記載されている。
【００１３】
しかしながら、特許文献３に記載された燃料電池システムにおいては、このようにガス経路を遮断したときに燃料ガス経路と酸化剤ガス経路との空間の体積比を所定の値となるように設定し、作成するためには、ガス供給および排出に用いる配管の長さや内径などを変更する必要があるため、部品点数が増大し、また組み立ても煩雑となるおそれがあるため、好ましくない。
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−１５８５５３号公報
【特許文献２】特開２００５−２４３４７７号公報
【特許文献３】特開２００５−２２２７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、運転停止時における電極触媒や電解質膜の劣化を抑制することの可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１６】
本発明の他の目的は、燃料電池システムの円滑な起動、停止を行なうことが可能であり、また運転停止時における電極触媒や電解質膜の劣化を抑制することの可能な燃料電池システムを提供することにある。
【００１７】
さらに、本発明の他の目的は、複雑な製造工程や運転制御を必要とせず、運転停止時における触媒や電解質膜の劣化を良好に抑制することの可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の構成は以下のとおりである。
【００１９】
（１）燃料極と酸化極とを備え、燃料ガスと酸化ガスとを反応ガスとする燃料電池セルを積層した燃料電池スタックと、前記燃料極に連通し、開閉可能な燃料ガス供給側バルブおよび燃料ガス排出側バルブの間の燃料ガス反応流路を含む燃料ガス流路と、前記酸化極に連通し、開閉可能な酸化ガス供給側バルブおよび酸化ガス排出側バルブの間の酸化ガス反応流路を含む酸化ガス流路と、前記燃料ガス反応流路または前記酸化ガス反応流路のいずれか一方に連通し、所定の容量を有する少なくとも一つのガスバッファタンクと、を有し、少なくとも下記（１）式を満たす、燃料電池システム。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの起動および停止動作を指令する指令部と、所定のバルブを開閉させて前記反応ガスの流通を制御可能なバルブ制御部と、をさらに有し、前記燃料電池スタックの運転中における前記指令部の停止指令により、前記バルブ制御部により前記燃料ガス供給側バルブ、前記燃料ガス排出側バルブ、前記酸化ガス供給側バルブおよび前記酸化ガス排出側バルブを閉じて前記燃料電池スタック内の前記反応ガスの流通を遮断し、少なくとも酸化ガス反応流路内に残存する酸化ガス中に含有する酸素を所定の濃度以下まで減少させた後に運転停止させる、燃料電池システム。
【００２２】
（３）上記（２）に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタック内の前記反応ガスを減少させるガス除去手段をさらに備える、燃料電池システム。
【００２３】
（４）上記（２）または（３）に記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス除去手段は、前記燃料電池セルごとに接続された複数の放電手段であり、前記放電手段に対応する前記燃料電池セルのそれぞれに残存する反応ガスを独立して除去する、燃料電池システム。
【００２４】
（５）上記（１）から（４）のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記ガスバッファタンクは、前記燃料ガス反応流路に連通し、所定量の燃料ガスを貯留可能な燃料ガスバッファタンクを含む、燃料電池システム。
【００２５】
（６）上記（５）に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスバッファタンクと連通可能な改質ガス供給源をさらに有し、前記燃料ガス反応流路内に残存する前記燃料ガスを所定の圧力以下まで消費させた後に前記改質ガス供給源を前記燃料ガスバッファタンクと連通させて、前記燃料ガス反応流路内に改質ガスを供給する、燃料電池システム。
【００２６】
（７）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、改質ガス供給源と、前記改質ガス供給源と、開閉可能な改質ガス導入バルブを備え、前記燃料ガス反応流路に連通する改質ガス導入配管と、前記燃料電池スタックの起動および停止動作を指令する指令部と、所定のバルブを開閉させてガスの流通を制御可能なバルブ制御部と、をさらに有し、前記指令部の停止指令により所定の停止動作を行った後、前記バルブ制御部による前記改質ガス導入バルブの開閉により前記燃料ガス反応流路内の圧力を所定の圧力範囲となるように改質ガス供給源から前記燃料電池スタックへの改質ガスの導入を制御するとともに、前記バルブ制御部による前記酸化ガス排出側バルブの開閉により前記酸化ガス反応流路内の圧力を所定の圧力範囲となるように制御し、前記指令部の起動指令まで運転待機する、燃料電池システム。
【００２７】
（８）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタック内の電位を低下させる放電手段と、前記燃料電池スタックの起動および停止動作を指令する指令部と、所定のバルブを開閉させて前記反応ガスの流通を制御可能なバルブ制御部と、をさらに有し、前記燃料電池スタックの停止中または待機中における前記指令部の起動指令により、前記バルブ制御部により前記燃料ガス供給側バルブおよび前記燃料ガス排出側バルブを開けて前記燃料ガス反応流路内の燃料ガスの流通を再開し、前記燃料電池セルと前記放電手段とを接続し、前記バルブ制御部により前記酸化ガス供給側バルブおよび前記酸化ガス排出側バルブを開けて前記酸化ガス反応流路内の酸化ガスの流通を再開させる、燃料電池システム。
【００２８】
（９）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、開閉可能な改質ガス導入バルブを備え、前記燃料ガス反応流路に連通する改質ガス導入配管と、前記燃料電池スタックの起動および停止動作を指令する指令部と、所定のバルブを開閉させて所定のガスの流通を制御可能なバルブ制御部と、前記燃料電池スタック内の前記反応ガスを放電除去する放電手段と、をさらに有し、前記燃料電池スタックの運転中における前記指令部の停止指令により、前記バルブ制御部により前記燃料ガス供給側バルブ、前記燃料ガス排出側バルブ、前記酸化ガス供給側バルブおよび前記酸化ガス排出側バルブを閉じて前記燃料電池スタック内の前記反応ガスの流通を遮断し、前記ガス除去手段により前記酸化ガス反応流路内に残存する酸化ガスと、前記燃料ガス反応流路内に残存する燃料ガスと、をそれぞれ所定の濃度以下まで減少させ、前記バルブ制御部による前記改質ガス導入バルブの開閉により前記燃料ガス反応流路内の圧力を所定の圧力範囲となるように前記燃料電池スタックへの前記改質ガス導入配管を介する改質ガスの導入を制御するとともに、前記バルブ制御部による前記酸化ガス排出側バルブの開閉により前記酸化ガス反応流路内の圧力を所定の圧力範囲となるように制御して運転待機し、前記指令部の起動指令により、前記バルブ制御部により前記燃料ガス供給側バルブおよび前記燃料ガス排出側バルブを開けて前記燃料電池スタック内の燃料ガスの流通を再開し、前記燃料電池セルと前記放電手段とを接続し、前記バルブ制御部により前記酸化ガス供給側バルブおよび前記酸化ガス排出側バルブを開けて前記燃料電池スタック内の酸化ガスの流通を再開させる、燃料電池システム。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、燃料電池スタックの運転停止時における電極触媒や電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの、構成の概略を示す模式図である。図１において、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２０と、燃料ガス流路と、酸化ガス流路とを備えている。
【００３２】
燃料電池スタック２０は、電解質膜１８ｂを、燃料極（アノード）１８ａおよび酸化極または空気極（カソード）１８ｃで挟んだ構造からなるＭＥＡ１８を含む燃料電池単セル（燃料電池セル、単セルとも称する）４２を、図示しないセパレータを挟んで複数枚積層させた構造を有し、図示しない本負荷に所望の電力を供給可能に構成されている。なお、図１に示す本実施の形態においては、燃料電池スタック２０として燃料電池単セル４２を３枚（図１中ではＣｅｌｌ１〜Ｃｅｌｌ３と示す）積層させた構成を示したが、積層枚数については任意である。
【００３３】
燃料ガス流路は、燃料ガス供給配管２６と燃料ガス排出配管２８とを含み、図示しないセパレータと、ＭＥＡ１８の燃料極１８ａ側とで区画される燃料ガス経路２２に連通している。燃料ガス供給配管２６には、開閉可能な燃料ガス供給側バルブｖｆ１を備え、燃料ガス排出配管２８には、開閉可能な燃料ガス排出側バルブｖｆ２を備えており、燃料電池スタック２０の内部を含む、燃料ガス供給側バルブｖｆ１と燃料ガス排出側バルブｖｆ２との間の燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ間における燃料ガスの流通をバルブ制御部３２により制御可能に構成されている。なお、特に断りのない限り、『燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ』と示した場合には、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂのほか、燃料電池スタック２０内の燃料ガス経路２２も含んでよい。
【００３４】
燃料ガス供給側バルブｖｆ１と燃料ガス排出側バルブｖｆ２との間の燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂの間には、所定の容量Ｖｆを有する燃料ガスバッファタンク５０ａが接続管４４ａを介して連通している。この燃料ガスバッファタンク５０ａにはまた、改質器４８に連通する改質ガス導入配管４６が、改質ガス導入バルブｖｆ３を含み備えられており、図示しない改質ガス供給源から燃料ガスバッファタンク５０ａへの改質ガスの供給を可能としている。燃料ガスバッファタンク５０ａは、好ましくは燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂの上流部側に連通していることが好ましいが、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂの下流部側に連通していてもよく、その設置箇所は任意である。実施の形態においては、接続管４４ａを燃料ガス反応流路３４ａにつないでも良く、他の実施の形態においては、燃料ガス反応流路３４ａの一部の形状を変更し、燃料ガスバッファタンク５０ａとしてもよい。
【００３５】
一方、酸化ガス流路は、酸化ガス供給配管３６と酸化ガス排出配管３８とを含み、図示しないセパレータと、ＭＥＡ１８の空気極１８ｃ側とで区画される酸化ガス経路２４に連通している。酸化ガス供給配管３６には、開閉可能な酸化ガス供給側バルブｖａ１を備え、酸化ガス排出配管３８には、開閉可能な酸化ガス排出側バルブｖａ２を備えており、燃料電池スタック２０の内部を含む、酸化ガス供給側バルブｖａ１と酸化ガス排出側バルブｖａ２との間の酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ間における酸化ガスの流通をバルブ制御部３２により制御可能に構成されている。なお、特に断りのない限り、『酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ』と示した場合には、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂのほか、燃料電池スタック２０内の酸化ガス経路２４も含んでよい。
【００３６】
酸化ガス供給側バルブｖａ１と酸化ガス排出側バルブｖａ２との間の酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂには、所定の容量Ｖａを有する酸化ガスバッファタンク５０ｂが接続管４４ｂを介して連通している。酸化ガスバッファタンク５０ｂは、好ましくは酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂの上流部側に連通していることが好ましいが、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂの下流部側に連通していてもよく、その設置箇所は任意である。実施の形態においては、接続管４４ｂを酸化ガス反応流路４０ａにつないでも良く、他の実施の形態においては、酸化ガス反応流路４０ａの一部の形状を変更し、酸化ガスバッファタンク５０ｂとしてもよい。
【００３７】
接続管４４ａを含む燃料ガスバッファタンク５０ａの容量Ｖｆおよび接続管４４ｂを含む酸化ガスバッファタンク５０ｂの容量Ｖａは、システム構成および運転条件に応じて、好ましくは次に示す式（１）が成立するように設計される。
【００３８】
【数１】
2007323959.tif 000004
【００３９】
燃料ガスの流通可能な流路のうち、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂまたは接続管４４ａ、好ましくは燃料ガスマニホールドと連通する接続管４４ａに取り付けられた圧力センサ５８ａおよび温度センサ６０ａにより、（１）式に示した燃料ガスの圧力Ｐｆおよび温度Ｔｆが測定される。また、φＨは燃料ガス中の水素の容積比であり、使用する燃料ガスにより、予め設定される定数である。一方、酸化ガスの流通可能な流路のうち、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂまたは接続管４４ｂ、好ましくは酸化ガスマニホールドと連通する接続管４４ｂに取り付けられた圧力センサ５８ｂおよび温度センサ６０ｂにより、（１）式に示した酸化ガスの圧力Ｐａおよび温度Ｔａが測定される。また、φＯは酸化ガス中の酸素の容積比であり、使用する酸化ガスにより、予め設定される定数である。
【００４０】
また、燃料電池セル４２のそれぞれ（Ｃｅｌｌ１〜Ｃｅｌｌ３）には、対応する放電素子５６（ｒ１〜ｒ３）が備えられている。また、スイッチＳ１〜Ｓ３の切り替えにより、放電素子５６は対応する燃料電池セル４２に対してそれぞれ独立して接続可能に備えられている。なお、図１に示す本実施の形態においては、放電素子５６として所定の電気抵抗を有する補助負荷を用いた。他の実施の形態として、放電素子５６に替えて、所定の静電容量を有する蓄電部材（キャパシタ）を用いてもよい。
【００４１】
燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂまたは接続管４４ａのうち少なくとも１箇所に、流通する燃料ガスの状態を測定する圧力センサ５８ａおよび温度センサ６０ａを備えるとともに、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂまたは接続管４４ｂのうち少なくとも１箇所に、流通する酸化ガスの状態を測定する圧力センサ５８ｂおよび温度センサ６０ｂを備え、さらに燃料電池単セル４２それぞれにおけるセル電圧Ｖｃｅｌｌを測定する電圧センサ（図１中では、Ｖ１〜Ｖ３と示す）を備えて、制御部３０による燃料電池スタック２０の運転制御に必要な情報を入手し、常にまたは所定のタイミングで情報を伝達している。
【００４２】
指令部５２は、燃料電池スタック２０の運転停止または再起動などの運転制御に関する指示を受けると、制御部３０に所定の制御指令を行なう。制御部３０では、回路の切り替えや反応ガスの流通など、燃料電池スタック２０に関するあらゆる制御を可能に構成されており、特にバルブ制御部３２では、燃料ガス供給側バルブｖｆ１、燃料ガス排出側バルブｖｆ２、改質ガス導入バルブｖｆ３、酸化ガス供給側バルブｖａ１および酸化ガス排出側バルブｖａ２などのバルブの開閉制御を行なう。
【００４３】
このような構成の燃料電池システム１００において、燃料電池スタック２０が運転し、本負荷１０に電力が供給されている状態においては、燃料ガス供給側バルブｖｆ１、燃料ガス排出側バルブｖｆ２、酸化ガス供給側バルブｖａ１および酸化ガス排出側バルブｖａ２はすべて開放され、燃料電池スタック２０内の反応ガス流路すなわち燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂのそれぞれに所定の運転条件で反応ガスが流通している。一方、改質ガス導入バルブｖｆ３、は閉じた状態であり、燃料ガスバッファタンク５０ａには、容量Ｖｆだけ燃料ガスが貯留された状態となっている。同様に、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ間に接続管４４ｂを介して連通する酸化ガスバッファタンク５０ｂには、容量Ｖａだけ酸化ガスが貯留された状態となっている。
【００４４】
一方、放電素子５６については、燃料電池スタック２０の通常運転時には燃料電池セル４２のいずれにも電気的に接続されていない状態である。
【００４５】
このような燃料電池スタック２０の通常運転状態において、運転停止の指示、つまり、燃料電池スタック２０での発電を停止し、燃料電池スタック２０から本負荷への電力供給を停止させる指示が与えられると、指令部５２は、制御部３０に燃料電池スタック２０の停止動作を開始するように指令する。
【００４６】
制御部３０およびバルブ制御部３２は、指令部５２からの停止指令により、停止制御を行なう。まず、燃料電池スタック２０から本負荷への電力供給を停止する。そして、燃料ガス供給側バルブｖｆ１、燃料ガス排出側バルブｖｆ２、酸化ガス供給側バルブｖａ１および酸化ガス排出側バルブｖａ２をすべて閉じる。それぞれのバルブを閉じるタイミングは、ほぼ同時であることが好ましいが、反応ガス中の水素または酸素の分圧比や、反応ガスそれぞれの流速などの諸条件によって、例えば数秒程度のずれは許容される。このバルブ制御により、燃料電池スタック２０内の反応ガスの流通が遮断され、燃料電池スタック２０の、バルブｖｆ１〜ｖｆ３、ｖａ１〜ｖａ２により閉じられた反応ガス流路中に燃料ガスおよび酸化ガスがそれぞれ残存する。すなわち、このとき残存する燃料ガスの量は、燃料ガス供給側バルブｖｆ１と燃料ガス排出側バルブｖｆ２との間で遮断された閉空間および接続管４４ａと燃料ガスバッファタンク５０ａとを含み、改質ガス導入バルブｖｆ３で遮断された閉空間の容積分に相当する。同様に、残存する酸化ガスの量は、酸化ガス供給側バルブｖａ１と酸化ガス排出側バルブｖａ２との間で遮断された閉空間および接続管４４ｂと酸化ガスバッファタンク５０ｂとの容積分に相当する。
【００４７】
このように、燃料電池が運転を停止している状態で燃料電池スタック２０内に未反応の反応ガスが残存したまま放置されると、これらの残存ガスによりこの燃料電池セル４２の燃料極１８ａと酸化極１８ｃとの間に電位差が生じ、酸化極１８ａ側が高電位に曝される。さらに、酸化極１８ｃ側に残存する酸素が例えば電解質膜１８ｂを介して燃料極１８ａ側に透過すると、燃料極１８ａ側に水素と酸素の混在する状態が生じてしまい、燃料電池セル４２の面内に、あたかも複数のセルを並列に接続したかのような状態が生じてしまう。このように、燃料極１８ａ側に酸素が存在する場合には、その部位における電位が、酸素が存在しない、通常の燃料極と比較して高くなり、正常時の電圧がほぼ０ボルトであるのに対し、例えば０．４ボルト以上という電極電位が発生する。そのため、燃料極１８ａにおいて高電位状態となっている部位の対極に相当する酸化極１８ｃにおける電極電位もこれに伴って上昇し、場合によっては１．４ボルト以上にも達する異常な電位が発生する。これがいわゆる空気極異常電位または酸化極異常電位とも呼ばれる現象である。
【００４８】
このように、酸化極１８ｃ側に酸化ガス（酸素）が存在し、またこの酸素が燃料極１８ａ側に混入することにより、燃料極１８ａおよび酸化極１８ｃの双方に異常な電位が発生すると、燃料電池、特に燃料ガスとして改質ガスを用いる改質ガス用燃料電池の場合には、以下に示すような異常な電極反応が起こり、燃料極１８ａおよび酸化極１８ｃの電極触媒および炭素材料を含む触媒担持体を劣化させる。
【００４９】
【数２】
2007323959.tif 000005
【００５０】
【数３】
2007323959.tif 000006
【００５１】
改質ガス用燃料電池の場合には一般に、燃料極におけるＣＯ被毒抑制のためにＲｕ合金を使用しているが、式（２）のような反応により合金触媒中のＲｕが溶出してしまうと、耐ＣＯ被毒性が低下するおそれがある。一方、酸化極においては、例えば式（３）の上式に示すように、酸化極触媒が酸化されるおそれがあるばかりでなく、酸化極には燃料電池の運転に伴う生成水または水蒸気が存在するため、式（３）の下式に示すように触媒を担持する炭素材料が酸化され、酸化極の触媒性能が劣化するおそれがある。したがって、燃料電池を停止して放置している間に燃料電池スタック内に残存する反応ガスの効果的な除去、特に残存酸素の処理が求められる。
【００５２】
そこで、本発明の実施の形態においては、バルブ制御部３２により燃料ガス供給側バルブｖｆ１、燃料ガス排出側バルブｖｆ２、酸化ガス供給側バルブｖａ１および酸化ガス排出側バルブｖａ２を閉じた後に、燃料電池スタック２０内に残存する未反応の反応ガスを除去するために、スイッチＳ１〜Ｓ３をそれぞれ切り替えて対応する放電素子５６（ｒ１〜ｒ３）をそれぞれ燃料電池セル４２に接続し、燃料ガス経路２２および酸化ガス経路２４内に残存する反応ガス中の水素と酸素とを放電により反応させて消費する。放電素子５６としては、所定の電気抵抗を有する補助負荷を好適に使用することができる。このとき、（１）式に示したように燃料ガスバッファタンク５０ａの容量Ｖｆおよび酸化ガスバッファタンク５０ｂの容量Ｖａを設定することにより、酸化ガス反応流路内に残留していた酸素は、少なくとも電極触媒および触媒担持体に対する影響を及ぼさない程度にほぼ完全に除去される。つまり、（１）式を満たすように設定されていれば、燃料ガスバッファタンク５０ａおよび酸化ガスバッファタンク５０ｂはその両方を備える必要はなく、少なくとも一方を有していればよい。
【００５３】
本発明の実施の形態における燃料電池システム１００において、（１）式を満たす運転条件が確保されている場合には、燃料極１８ａ側に残存する水素（以下、残存水素ともいう）のモル量は、酸化極１８ｃ側に残存する酸素（以下、残存酸素ともいう）のモル量の２倍以上となっている。具体的に設計する際には、システムの運用上に適用される環境温度範囲、運転圧力範囲を考慮して、一般に残存水素に対する残存酸素のモル比が３〜５程度となるように、燃料ガスバッファタンク５０ａの容量Ｖｆおよび酸化ガスバッファタンク５０ｂの容量Ｖａを設定することが好ましい。
【００５４】
上述したように、燃料電池セル４２のそれぞれに対応する放電素子５６を接続して反応ガスを消費させることにより、各燃料電池セル４２に対応する電圧センサの値Ｖｃｅｌｌが所定の値以下となったら、対応するスイッチＳ１〜Ｓ３のいずれかを切り替え、燃料電池セル４２と対応する放電素子５６との接続を解除して、その燃料電池セル４２における酸化ガス経路２４内の残存酸素の除去処理を終了する。さらに、圧力センサ５８ｂの値Ｐａが所定の値、例えば８０ｋＰａ以下となったら、燃料電池スタック２０における燃料電池セル４２ごとに設けられているすべてのスイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）を切り替え、放電素子５６と燃料電池セル４２との接続をすべて解除して、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ間の残存酸素の除去処理を終了する。なお、値Ｐａとしては、圧力センサ５８ｂによる実測値を適用してもよく、また温度センサ６０ｂの示す酸化ガスの温度Ｔａに応じて適宜補正した補正値を適用してよい。
【００５５】
燃料ガスバッファタンク５０ａ内の容量Ｖｆは、式（１）の関係が成立し、かつ上述の残存酸素の除去処理を終了した時点における燃料ガス反応流路３４ａ、３４ｂ間の水素濃度が、例えば５容量％以上となるように予め設定し、設計することが好適である。
【００５６】
このような燃料電池システム１００を構成することにより、燃料電池スタック２０を長期間停止させた状態においても、燃料極および酸化極に酸素がほとんど存在せず、また水素についてもわずかにしか存在しないため、運転停止時における電極触媒や電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
【００５７】
運転を停止した燃料電池スタック２０は、新たに起動指示が与えられるまで、運転待機状態となり、放置される。時間経過とともに、燃料ガス経路２２内に残存する水素が電解質膜１８ｂを透過して酸化極１８ｃおよび酸化ガス経路２４内に移動する場合がある。また、この現象に従い、燃料極１８ａおよび燃料ガス経路２２内の圧力が低下する一方、酸化極１８ｃおよび酸化ガス経路２４内の圧力が上昇する。さらに長い期間放置されると、水素の透過により燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力が所定の値よりも低くなり、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力との差が大きくなってしまうと、電解質膜１８ｂの撓みや劣化が進行してしまうおそれがある。このため、改質ガス導入バルブｖｆ３の開閉を制御して、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内が所定の圧力範囲を維持するように改質器４８から改質ガス導入配管４６を介して改質ガスを燃料電池スタック２０内に供給する。なお、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内への改質ガスの供給には、燃料ガスバッファタンク５０ａを経由する必要はなく、改質ガス導入配管４６から直接導入してもよいが、圧力センサ５８ａや温度センサ６０ａを共有することが可能であり、また配管の長さも削減することが可能となるため、図１に示す構成とすることが好ましい。
【００５８】
本実施の形態においては、燃料ガスとして例えば天然ガスや都市ガスなどを改質器４８により改質した改質ガスを使用することが好ましいが、改質ガスに替えて純水素を燃料ガスとして使用する場合においては、より水素濃度の低くなった、燃料ガス排出配管２８から排出された燃料ガス（オフガス）を使用して燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内に供給することも好適である。また、本実施の形態の変形例として、改質ガスに替えて、電極１８ａ，１８ｃおよび電解質膜１８ｂに影響を及ぼさない、窒素ガスや炭酸ガスなどの不活性ガスを導入して、燃料電池スタック２０内に供給することも可能であるが、この場合には不活性ガス用の容器を別に備える必要がある。
【００５９】
一方、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力が所定の値よりも高くなってしまうと、同様に燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力との差が大きくなり、電解質膜の撓みや劣化が進行してしまうおそれがある。このため、酸化ガス排出側バルブｖａ２を制御して、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内が所定の圧力範囲を維持するように酸化ガス排出配管３８から排気する。
【００６０】
このように、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂおよび酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂの圧力を、圧力センサ５８ａ，５８ｂを利用してそれぞれ所定の範囲に維持することにより、燃料電池スタック２０の長期間にわたる運転停止状態においても、電解質膜および電極触媒の劣化または酸化を抑制することが可能となる。
【００６１】
さらに、運転停止させた燃料電池スタック２０を再起動させるときは、まず燃料ガス供給側バルブｖｆ１、燃料ガス排出側バルブｖｆ２を開けて燃料電池スタック２０内に燃料ガスを供給する。次に、スイッチＳ１〜Ｓ３を閉じて、放電素子５６と対応する燃料電池セル４２とを接続させる。これにより、燃料極１８ａ側に残存する水素ガスの一部が酸化極１８ｃ側へ移動する。このとき酸化極１８ｃ側へ移動する水素の少なくとも一部は、一般にイオン化している。一方、酸化極１８ｃ側には酸素がほとんど残存していない状態であり、酸化極１８ｃ側へ移動した水素が、例えば酸化極１８ｃ触媒表面の金属酸化物などの還元除去に寄与することにより、酸化極触媒の劣化を抑制することが可能となる。
【００６２】
その後、酸化ガス供給側バルブｖａ１および酸化ガス排出側バルブｖａ２を開けて燃料電池スタック２０内に酸化ガスを供給し、燃料電池スタック２０と図示しない本負荷とを接続し、本負荷への電力供給が確認された時点でスイッチＳ１〜Ｓ３をそれぞれ切り替え、放電素子５６と対応する燃料電池セル４２との接続を遮断する。このようにして、燃料電池スタック２０の円滑な再起動を行なうことが可能となる。
【００６３】
次に、本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御方法について、図面に基づいて説明する。
【００６４】
図２は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御方法のうち、燃料電池スタックが発電し、電力供給を行なっている通常運転時における停止方法を例示したフローチャートである。なお、本実施の形態における燃料電池システムの構成については、図１を参照のこと。
【００６５】
ステップＳ２００は、燃料電池スタック２０が通常運転を行なっている状態である。燃料ガス供給側バルブｖｆ１、燃料ガス排出側バルブｖｆ２、酸化ガス供給側バルブｖａ１および酸化ガス排出側バルブｖａ２はすべて開いた状態であり、反応ガスがそれぞれ流通し、燃料電池スタック２０で得られた電力が本負荷に送られ、所定の運転動作を行なっている。一方、改質ガス導入バルブｖｆ３は閉じた状態である。
【００６６】
ステップＳ２０２において、燃料電池システム１００が運転停止の指示を受けると、ステップＳ２０４で燃料電池スタック２０の接続を本負荷からはずし、燃料電池スタック２０から本負荷への電力供給を停止する。
【００６７】
ステップＳ２０４の後、速やかにステップＳ２０６に移り、燃料ガス供給側バルブｖｆ１、燃料ガス排出側バルブｖｆ２、酸化ガス供給側バルブｖａ１および酸化ガス排出側バルブｖａ２を閉じて反応ガスの流通を遮断し、ステップＳ２０８にすすむ。
【００６８】
ステップＳ２０８では、スイッチＳ１〜Ｓ３（これらをまとめて、スイッチＳとも示す）を閉じることにより、単セル４２ごとに備えられた放電素子５６を、対応する単セル４２とそれぞれ接続させる。ステップＳ２０８は、ステップＳ２０６とほぼ同時であってもよい。なお、ここでいう単セル４２は、他の実施の形態においては複数の単セル４２により構成される単位セルであってもよく、以下の説明において、適宜「単セル」を「単位セル」として読み替えることも可能である。
【００６９】
次に、ステップＳ２１０にすすみ、それぞれの単セル４２内に残存する反応ガスが対応する放電素子５６により消費される。なお、放電素子５６は、放電のためのみに設けられたものであっても良く、また本負荷に付随して補助的に用いられる補助負荷のようなものであってもよい。また、単セル４２と、対応する放電素子５６とは１対１で対応していなくてもよいが、１つの放電素子５６に対応する単セル４２は複数でないことが好ましい。放電素子５６による放電により、反応ガスが消費され、これに伴い、セル電圧Ｖｃｅｌｌおよび燃料電池スタック２０内の圧力が低下する。ステップＳ２１２において、それぞれの単セル４２に対してセル電圧Ｖｃｅｌｌが測定されるが、このときのセル電圧Ｖｃｅｌｌが要求電圧値Ｖ１、例えば０．８ボルト〜０．３ボルトのある所定の電圧、まで下がったら、ステップＳ２１４にすすむ。なお、電圧値Ｖ１は、酸化極１８ｃおよび酸化ガス経路２４中の酸素ガス濃度が所定の濃度以下、例えば８０ｋＰａ以下となったと推定される、燃料電池システム１００の構成および運転条件などに応じて予め設定される値である。
【００７０】
ステップＳ２１４では、単セル４２と、放電素子５６との接続を解除し、単セル４２内の反応ガスの放電による消費を停止する。このステップはそれぞれの単セル４２において個別に行なわれるものであり、すべての単セル４２においてステップＳ２１４が行なわれるまで続けられる。
【００７１】
ところで、ステップＳ２１０における放電の後、圧力センサ５８ｂにより、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力を監視している。ステップＳ２１６において、圧力センサ５８ｂで測定された酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力Ｐａが、所定の圧力Ｐ１以下に低下した場合には、セル電圧Ｖｃｅｌｌの値に関わらず、すべての単セル４２と、放電素子５６との接続を解除する。なお、圧力Ｐ１は、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内に残存する酸化ガス中に酸素をほとんど含有していないとみなすことが出来る、燃料電池システム１００の構成および運転条件などに応じて予め設定される値であり、例えば８０ｋＰａ程度の好適な値が適用される。また、Ｐａの値としては、圧力センサ５８ｂによる実測値を適用してもよく、また温度センサ６０ｂの示す酸化ガスの温度Ｔａに応じて適宜補正した補正値を適用してもよい。
【００７２】
一方、ステップＳ２１０における放電の後、圧力センサ５８ａにより、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力を監視している。ステップＳ２１８において、圧力センサ５８ａで測定された燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力Ｐｆが、所定の圧力Ｐ２以下に低下した場合には、ステップＳ２２０にすすむ。なお、圧力Ｐ２は、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力の低下に伴う電解質膜１８ｂの剥離その他の燃料電池システム１００内の部材劣化を防止または抑制するよう、燃料電池システム１００の構成および運転条件、さらには酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力Ｐａなどに応じて設定される値であり、例えば８０ｋＰａ〜１１０ｋＰａ程度の好適な値が適用される。また、Ｐｆの値としては、圧力センサ５８ａによる実測値を適用してもよく、また温度センサ６０ａの示す酸化ガスの温度Ｔｆに応じて適宜補正した補正値を適用してもよい。
【００７３】
ステップＳ２２０において、改質ガス導入バルブｖｆ３を開いて、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内にメタンガスや天然ガス、都市ガスなどの改質原料ガスを、改質器４８内で改質した改質ガスを供給し、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力Ｐｆを上昇させる。
【００７４】
ステップＳ２２２において、圧力センサ５８ａで測定された燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力値Ｐｆが、改質ガスの供給により所定の圧力Ｐ２を超えた場合には、ステップＳ２２４にすすみ、改質ガス導入バルブｖｆ３を閉じて、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内への改質ガスの供給を停止する。ステップＳ２１８からステップＳ２２４までの工程は、ステップＳ２１４が完了するまで繰り返される。
【００７５】
ステップＳ２２６にすすみ、燃料電池スタック２０の運転が停止して、待機状態に入る。このとき、セル電圧Ｖｃｅｌｌは要求電圧値Ｖ１まで下がり、また圧力センサ５８ｂで測定された酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力値Ｐａは所定の圧力Ｐ１以下であり、すべての単セル４２と、これに対応する放電素子５６との接続が解除され、かつ圧力センサ５８ａで測定された燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力値Ｐｆが所定の圧力Ｐ２を超えたことにより、電極触媒や電解質膜の劣化が抑制された状態となっている。通常の待機状態においては、図３にすすむが、特に速やかな再起動を必要とする場合には、直接図４にすすんでもよい。
【００７６】
図３は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御方法のうち、燃料電池スタックの運転停止時における待機方法を例示したフローチャートである。なお、本実施の形態における燃料電池システムの構成については、図１を参照のこと。
【００７７】
本発明の実施の形態において、燃料電池スタック２０の再起動までの運転待機時には、燃料極１８ａ側および酸化極１８ｃ側のそれぞれに残存する残存ガス、または残存ガス中の成分の、移動に伴う圧力変化を補正する制御を行なう。これは主として、燃料極１８ａ側に残存する水素が電解質膜１８ｂを透過して酸化極１８ｃ側に移動することによるものであるが、必ずしもこれに限らない。
【００７８】
まず、燃料極１８ａ側の制御について説明する。燃料電池スタック２０の停止時には、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力Ｐｆが所定の圧力値Ｐ２を超えており、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力Ｐａと適度なバランスを保った状態となっている。
【００７９】
ステップＳ２２８において、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力Ｐｆが所定の圧力値Ｐ２以下に低下してしまうと、ステップＳ２３０にすすみ、改質ガス導入バルブｖｆ３を開いて改質器４８を通じて改質ガスを導入し、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内に改質ガスを供給する。このとき供給されるガスは、水素ガスを含み、少なくとも脱硫処理および脱ＣＯ処理していればよい。
【００８０】
改質ガスの供給により、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力Ｐｆが再び所定の圧力値Ｐ２を超えたところで、改質ガス導入バルブｖｆ３を閉じて、改質ガスの導入を停止する（ステップＳ２３４）。ステップＳ２２８からステップＳ２３４までの動作は、後に説明する再起動の指示がなされるまで繰り返される。
【００８１】
次に、酸化極１８ｃ側の制御について説明する。燃料電池スタック２０の停止時には、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力Ｐａが所定の圧力値Ｐ３を下回っており、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂ内の圧力Ｐｆと適度なバランスを保った状態となっている。
【００８２】
ステップＳ２３６において、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力Ｐａが上昇して所定の圧力値Ｐ３以上になると、ステップＳ２３８にすすみ、酸化ガス排出側バルブｖａ２を開く。このとき、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂは、システム外部の大気中に連通することとなるため、このままの状態で放置すると、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力Ｐａは次第に低下していき、大気圧に近づく。Ｐ３の値として、大気圧以上、例えば１０３ｋＰａ以上、または１０３ｋＰａ〜１１０ｋＰａ程度の値が好適に使用することができる。
【００８３】
ステップＳ２４０において、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂ内の圧力Ｐａが所定の値Ｐ４以下となったところで、酸化ガス排出側バルブｖａ２を閉じ、環境中との連通を解除する（ステップＳ２４２）。このとき、酸化ガス排出側バルブｖａ２の開閉制御の基準となる所定の値Ｐ４として、例えば１０３ｋＰａ以下、または１００ｋＰａ〜１０３ｋＰａ程度の値が好適に使用することができるが、このＰ４の設定値はＰ３と同じであってもよく、また異なっていてもよく、少なくともＰ３以下であればよい。また、このＰ４は、大気圧に等しくてもよく、大気圧より低い値であってもよい。ステップＳ２３６からステップＳ２４２までの動作は、再起動の指示がなされるまで繰り返される。
【００８４】
このように、本発明の実施の形態においては、燃料電池スタック２０の再起動までの運転待機時には、燃料極１８ａ側と１８ｃ極側とで独立して圧力制御を行なう。起動指示により、待機動作を終了する（ステップＳ２４４）。
【００８５】
図４は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御方法のうち、燃料電池スタックの運転待機時における起動方法を例示したフローチャートである。なお、本実施の形態における燃料電池システムの構成については、図１を参照のこと。
【００８６】
このとき、燃料ガス供給側バルブｖｆ１、燃料ガス排出側バルブｖｆ２、改質ガス導入バルブｖｆ３、酸化ガス供給側バルブｖａ１および酸化ガス排出側バルブｖａ２はすべて閉じた状態であり、燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂおよび酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂには、少量の残留ガスと、改質ガス導入配管４６を介して外部から導入された改質原料ガスまたは改質ガスが所定の圧力範囲で封入されている。また、燃料電池スタック２０から本負荷への電力供給はされていない。一方、スイッチＳはいずれも接続されていない。
【００８７】
運転停止状態（ステップＳ２２６）または起動待機状態（ステップＳ２４４）において、起動指示が与えられると（ステップＳ２４６）、起動動作を開始し、ステップＳ２４８にすすむ。
【００８８】
ステップＳ２４８において、燃料ガス供給側バルブｖｆ１、燃料ガス排出側バルブｖｆ２を開けて燃料ガスを流通させると、燃料ガス供給配管２６を介して燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂに燃料ガスが供給され、燃料ガス経路２２を含む燃料ガス反応流路３４ａ，３４ｂに封入されていた少量の残留ガスと、改質ガスとが燃料ガス排出配管２８より排出される。
【００８９】
次に、ステップＳ２５０において、スイッチＳを閉じて、単セル４２のそれぞれを対応する放電素子５６と接続し、ステップＳ２５２にすすむ。
【００９０】
ステップＳ２５２において、単セル４２それぞれのセル電圧Ｖｃｅｌｌを測定し、所定の値Ｖ２以下であることを確認してからステップＳ２５４にすすむ。仮にセル電圧ＶｃｅｌｌがＶ２を超えている場合には、酸化極１８ｃ側に幾分かの酸素が残存していることを示しているため、次のステップにすすむ前に放電素子５６による放電により酸化極１８ｃ側の酸素を消費させてセル電圧Ｖｃｅｌｌを低下させる。なお、設定されるＶ２の値としては、例えば０．３ボルト〜０．７ボルト程度が好適であるが、実施の形態においてはＶ１と同じであってもよい。なお、本実施の形態において、セル電圧Ｖｃｅｌｌが０．３ボルト以下となる放電素子５６による過剰な放電は、酸化極１８ｃ内への水素供給に繋がり、燃料電池セル４２内の例えば電解質膜１８ｂなどに深刻なダメージを与えるおそれもあるため、好ましくない。
【００９１】
ステップＳ２５４において、酸化ガス供給側バルブｖａ１および酸化ガス排出側バルブｖａ２を開けて酸化ガスを流通させると、酸化ガス供給配管３６を介して酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂに燃料ガスが供給され、酸化ガス反応流路４０ａ，４０ｂに封入されていた残留ガスおよび改質ガスが酸化ガス排出配管３８より排出される。このとき、放電素子５６は、単セル４２それぞれと接続されたままの状態である。なお、ステップＳ２４８とステップＳ２５４の間には、例えば５秒以上、好ましくは１０秒〜３０秒程度の間隔を空けておくことが好ましいが、他の実施の形態においては、例えば５秒以内であってもよい。
【００９２】
次に、ステップＳ２５６において、燃料電池スタック２０と本負荷とを接続し、通電を確認したところで、ステップＳ２５８にすすむ。
【００９３】
ステップＳ２５８において、スイッチＳを切り替えて、燃料電池セル４２のそれぞれと、これに対応する放電素子５６との接続を解除することにより、ステップＳ２６０において、再起動の動作が終了し、通常運転を行なう。
【００９４】
なお、ステップＳ２４６においては、一般に燃料極１８ａ側の電位がほぼ０ボルトであるのに対し、酸化極１８ｃ側の電位は例えば０．９〜１ボルト程度高い状態となっている。このため、ステップＳ２４８における、燃料極１８ａ側への燃料ガス供給の前にステップＳ２５０の動作を行なうと、燃料極１８ａ側の電位が上昇していき、燃料極１８ａ側と酸化極１８ｃ側との電位差がほとんど生じない状態になる。この状態において反応ガスの供給を行うと、始動時の安定性に不具合を生じるおそれがあるため、本実施の形態において、ステップＳ２４８とステップＳ２５０の順を入れ替えることは好ましくない。
【００９５】
また、本実施の形態の別の態様として、図４に示すステップＳ２４８とステップ２５４とをほぼ同時に行なうことも可能である。具体的には、ステップＳ２４６（再起動指示）のあとにまずステップＳ２５０（スイッチＳを閉じる）を行い、次いでステップＳ２４８（バルブｖｆ１とｖｆ２を開ける）とステップＳ２５４（バルブｖａ１とｖａ２を開ける）とを同時に行なう。他の動作については同様である。特に、燃料電池スタック２０の出力が低いときまたは使用する酸化ガス中の酸素分圧や燃料ガス中の水素分圧が低い場合において、好適に使用することができる。
【００９６】
また、放電素子５６として好適に使用できるものとしては、使用する燃料電池セル４２または燃料電池スタック２０による出力に応じて適宜選定することが可能である。好適には、燃料電池セル４２のそれぞれに対し、３００ミリオーム〜１オーム程度の抵抗を有する放電素子５６が好適に用いられる。また、図１に示すように、例えばセル１についてはｒ１、セル２についてはｒ２、セル３についてはｒ３、などのように、異なる抵抗値を有する複数の放電素子５６を組み合わせて用いてもよい。
【００９７】
本発明の実施の形態として図１に例示した燃料電池システム１００の構成は、あくまでも例示であって、例えばスイッチＳ１〜Ｓ３を含む電源回路の構成などについてはこれに限らず、いかなる構成であってもよい。また、燃料ガスバッファタンク５０ａと燃料電池スタック２０の燃料ガス経路２２とを繋ぐ接続管４４ａに、燃料ガスバッファタンク５０ａと燃料ガス経路２２との間のガスの流通を制御するバルブを設けても良く、必要に応じて、所定の開閉動作を行ってもよい。同様に、酸化ガスバッファタンク５０ｂと燃料電池スタック２０の酸化ガス経路２４とを繋ぐ接続管４４ｂに、燃料ガスバッファタンク５０ｂと燃料ガス経路２４との間のガスの流通を制御するバルブを設けても良く、必要に応じて、所定の開閉動作を行ってもよい。
【００９８】
また、燃料ガスバッファタンク５０ａは、燃料ガス供給配管２６、燃料ガス排出配管２８を含む燃料ガス流路上に設けられてもよく、酸化ガスバッファタンク５０ｂは、酸化ガス供給配管３６、酸化ガス排出配管３８を含む酸化ガス流路上に設けられてもよい。ただし、例えば１００枚程度以上の燃料電池セル４２を積層させる際には、燃料ガスバッファタンク５０ａおよび酸化ガスバッファタンク５０ｂは、図１に示したように、通常運転時のガス流路である、燃料ガス供給配管２６、燃料ガス排出配管２８および酸化ガス供給配管３６、酸化ガス排出配管３８とは別の部位に、接続管４４ａ，４４ｂを使用して、配置させることが好ましく、また別の実施の形態においては、例えば燃料電池スタック２０の上流側と下流側に複数の燃料ガスバッファタンク５０ａを設けても良い。
【００９９】
なお、上記構成により、例えば燃料ガスバッファタンク５０ａおよび酸化ガスバッファタンク５０ｂに対する反応ガスの流入が円滑に行なわれずに、所定の容量を有するバッファタンクとして十分に機能しないおそれのある場合には、例えば燃料ガスバッファタンク５０ａおよび酸化ガスバッファタンク５０ｂまたはその近傍にガス抜き口を設け、また例えばそれぞれの反応ガスが循環可能となるような流路を別に設けて、燃料電池システム１００の運転停止前に燃料ガスバッファタンク５０ａおよび酸化ガスバッファタンク５０ｂ内の反応ガスの貯留を確実に行なうことが好ましい。
【０１００】
このように、燃料ガスバッファタンク５０ａおよび酸化ガスバッファタンク５０ｂの配置は、適宜変更可能であるが、これに応じて、圧力センサ５８ａ，５８ｂおよび温度センサ６０ａ，６０ｂの数やその配置についても適宜変更してよい。
【０１０１】
なお、本発明の実施の形態において説明した、圧力センサ５８ａ，５８ｂによる数値Ｐｆ，Ｐａ，Ｐ１〜Ｐ４は、実測値であってもよく、また温度センサ５８ａ，５８ｂにより得られた温度に基づく補正値であってもよいが、運転停止または起動待機状態から運転時までの温度変化に伴う圧力変化は著しいと考えられるため、好適には所定の温度を基準とする補正値が用いられる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、あらゆる燃料電池システムにおいて好適に利用することができるが、特に、燃料ガスとして改質ガスを使用し、またはメタンガスや都市ガス・天然ガスなどの改質原料ガスを改質して使用する燃料電池システムにおいて好適に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御方法のうち、通常運転時における停止方法の概略を例示するフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御方法のうち、運転停止後における待機方法の概略を例示するフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御方法のうち、運転待機時における起動方法の概略を例示するフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０４】
１８  ＭＥＡ、１８ａ  燃料極、１８ｂ  電解質膜、１８ｃ  酸化極、２０  燃料電池スタック、２２  燃料ガス経路、２４  酸化ガス経路、２６  燃料ガス供給配管、２８  燃料ガス排出配管、３０  制御部、３２  バルブ制御部、３４ａ，３４ｂ  燃料ガス反応流路、３６  酸化ガス供給配管、３８  酸化ガス排出配管、４０ａ，４０ｂ  酸化ガス反応流路、４２  燃料電池セル（単セル）、４４ａ，４４ｂ  接続管、４６  改質ガス導入配管、４８  改質器、５０ａ  燃料ガスバッファタンク、５０ｂ  酸化ガスバッファタンク、５２  指令部、５６  放電素子、５８ａ，５８ｂ  圧力センサ、６０ａ，６０ｂ  温度センサ、１００  燃料電池システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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